Специфические и общие пути катаболизма. Биохимические пути в исследовании механизмов психических и нервных болезней Биохимические пути

Углеводы, белки и жиры в организме гидролизуются, а образующиеся при этом продукты гидролиза – моносахариды, аминокислоты, жирные кислоты и глицерин подвергаются превращениям, в ходе которых часть из них окисляется до углекислого газа и воды, являющимися продуктами окисления углерода и водорода. Если бы система, в которой каждый из продуктов гидролиза биополимеров, представляющий собой субстрат для последующего окисления, имел бы свой метаболический путь, то такая система была бы очень громоздкой и ненадежной. Однако, Природа решила задачу унификации метаболических путей, организовав катаболические процессы таким образом, что на промежуточных этапах этих процессов образуется минимальное число одних и тех же метаболитов, которые получаются при окислении разных веществ. И, действительно, как видно из схемы, большинство субстратов окисления превращаются в пировиноградную кислоту – пируват (С 3), а затем в ацетил-КоА (С 2), причем последний может образовываться и при окислении пирувата. Ацетил-КоА полностью окисляется в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК – он же цикл Кребса или цитратный цикл). Цикл Кребса является общим путем катаболизма для углеводов, белков и жиров. Энергия, выделяющаяся в ходе катаболических реакций, частично рассеивается виде теплоты, большая же ее часть расходуется в анаболических реакциях. Передача энергии осуществляется с помощью интермедиаторов, основной из них – АТФ. Эндергонические процессы – это синтез аденозинтрифосфата (АТФ) из аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата, а также синтез и других веществ с макроэргическими связями. Этот процесс протекает благодаря сопряжению энергии с катаболическими реакциями. Экзергонический процесс – это гидролиз АТФ, а также других трифосфатов. Гидролиз поставляет необходимую энергию для биосинтеза.

Ниже приведена схема сопряжения анаболических и катаболических процессов:

АДФ + фосфат АТФ + Н 2 О, ΔG < 0

Сопряжение

S 2 продукт биосинтеза, ΔG > 0

Большая часть АТФ в организме образуется в результате окислительного фосфорилирования , которое происходит в цепи передачи электронов (ЦПЭ). Основными субстратами этого процесса являются НАД*Н и ФАД*Н 2 , образующиеся преимущественно в ЦТК, поэтому одной из основных задач катаболизма является синтез АТФ – своеобразного аккумулятора энергии, необходимого для последующих реакций анаболизма. Большинство биосинтезов носят восстановительный характер, так как продукты биосинтеза являются менее окисленными по сравнению с исходными веществами. Роль восстановителя в таких процессах играет НАД*Н. Таким образом, ключевая роль в метаболизме принадлежит ограниченному числу соединений. Это пируват и ацетил-КоА, вещества которыми заканчиваются специфические пути катаболизма; АТФ, продукты гидролиза, к которым поступает энергия для анаболических процессов; НАД*Н и ФАД*Н 2 – коферменты, при окислении которых образуется основная часть АТФ в организме.

Катаболизм углеводов

Процессы обмена углеводов у человека начинаются в ротовой полости, так как в состав слюны входит фермент амилаза, который способен расщеплять крахмал и гликоген до дисахарида – мальтозы, которая ферментом мальтазой расщепляет последнюю до глюкозы. Поступление глюкозы в клетки различных органов зависит от гормона инсулина, который регулирует скорость переноса глюкозы через мембраны клеток. переносчиками – белками.

Обмен глюкозы в клетке начинается с ее фосфорилирования:

Глюкоза + АТФ глюкозо-6-фосфат + АДФ

АТФ → + АДФ

В отличие от свободной глюкозы, глюклзо-6-фосфат не способен проходить через клеточные мембраны, поэтому фосфорилированная глюкоза как бы «запирается» в клетке, и там запасается в форме гликогена – животного крахмала, который синтезируется из молекул глюкозо-6-фосфата.

Катаболизм глюкозы в клетке может идти по трем основным направлениям, которые различаются по способу изменения углеродного скелета молекулы:

1. Дихотомический путь, при котором происходит расщепление связи С-С между третьим и четвертым атомами углерода, и из одной молекулы гексозы получаются две триозы (С 6 →2С 3).

2. Апотомический путь (пентозофосфатный), при котором гексоза превращается в пентозу (С 6 → С 5) в результате окисления и отщепления одного (первого) углеродного атома.

3.Глюкуроновый путь, когда происходит окисление и отщепление шестого углеродного атома

Главным путем распада глюкозы, ведущим к высвобождению энергии является дихотомический путь, а в этом пути, в свою очередь, окислить глюкозу и получить ее энергию можно двумя способами:

1.Независимый анаэробный распад глюкозы до молочной кислоты – гликолиз.

глюкоза →2-лактат + 134 кДж

Часть этой энергии расходуется на образование двух молекул АТФ, а остальная рассеивается в виде теплоты.

2.Аэробный (кислородзависимый) распад глюкозы до углекислого газа и воды

Это процесс обратный фотосинтезу:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 ↔ 6СО 2 + 6Н 2 О + 2850 кДж

60% этой энергии запасается в виде макроэргических связей АТФ, то есть в биологически доступной форме. Как видно из приведенных уравнений, аэробный путь, несомненно, более выгоден по сравнению с гликолизом, так как в нем из одинакового количества глюкозы образуется в двадцать раз больше АТФ. Аэробный распад осуществляется большинством тканей организма за исключением эритроцитов. Для злокачественных клеток основной путь получения энергии – гликолиз. Мышцы используют гликолиз в случае больших нагрузок, когда затруднен доступ кислорода и тогда в натруженных мышцах образуется молочная кислота.

Цепь реакции гликолиза глюкозы включает в себя одиннадцать реакций, из которых первые десять - общие с аэробным распадом, а одиннадцатая – это синтез молочной кислоты из пировиноградной кислоты (ПВК) с помощью НАД*Н. Рассмотрим последовательно реакции при аэробном распаде глюкозы:

1 реакция – это фосфорилирование глюкозы, ее активация.

2 реакция – это изомеризация, глюкозо-6-фосфат превращается в фруктозо-6-фосфат.

3 реакция - фруктозо-6-фосфат фосфорилируется до фруктозо-1,6-дифосфата.

Первые три реакции представляют собой так называемую подготовительную стадию, на этом этапе еще идет затрата энергии АТФ на реакции фосфорилирования:

Глюкозо-6-фосфат

2- изомеризация

2-фосфоглицерат общий путь

9 Н 2 О АТФ

Следующий этап – это реакции гликолетической оксиредуктации , в которых идет распад шестиуглеродного скелета на два трехуглеродных и окисление их до пирувата.

4 реакция - фруктозо-1,6-дифосфат в своей открытой ациклической форме распадается с помощью фермента альдолазы на два трехуглеродных фрагмента: глицеральдегидфосфат и диоксиацетонфосфат.

5 реакция - изомеризация, превращение диоксиацетонфосфата в глицеральдегидфосфат.

Дальнейший катаболизм происходит только через глицеральдегидфосфат, две молекулы которого в 6-ой реакции окисляются НАД + в 1,3-дифосфоглицерат, а выделяющаяся при этом энергия запасается в виде АТФ. В данном случае окисление альдегида приводит к ангидриду органической и фосфорной кислоты. Две молекулы 1,3-дифосфоглицерата превращаются в процессе гидролиза в 3-фосфоглицерат, а далее, в 8-ой реакции происходит перенос фосфатной группы из положения 3 в положение 2.

9 реакция- отщепление воды с получением фосфоенолпирувата, а затем происходит кето-енольное превращение, сопряженное с гидролизом, когда от диоксиацетонфосфата отщепляется одна молекула фосфорной кислоты и енольная форма превращается в кетоформу.

КАТАБОЛИЗМ ЛИПИДОВ

У высших животных и человека липиды поступают в желудок, и выходят из него почти не затронутые кислой средой. В щелочной среде тонкого кишечника липиды гидролизуются под действием липаз. Гидролизованные липиды всасываются в кровь и переносятся в различные органы для дальнейшего метаболизма.

В кровь поступают сквозь стенку кишечника глицерин, ЖК, моно- и диглицериды. В крови ЖК снова этерифицируются глицерином, который связан с белками крови и переносится в жировую ткань или печень, где откладывается. В печени идёт гидролиз с образованием ЖК, которые окисляются до СО 2 и Н 2 О. При окислении высвобождается большое количество энергии.

Процесс окисления ЖК включает много стадий. ЖК разрушается (синтезируется) до фрагментов С-С (природные ЖК состоят из чётного числа атомов углерода). При катаболизме, ЖК сначала превращаются в тиоэфиры с коферментом А, с выделением АТФ, затем окисляются в ненасыщенные кислоты, окислителем служит ФАД.

С 15 Н 31 СООН – пальмитиновая кислота

О HSКоА О ФАД

СН 3 (СН 2) 12 СН 2 СН 2 С ОН СН 3 (СН 2) 2 СН 2 СН 2 С SКоА

СН 2 (СН 2) 12 СН=СНС SКоА

Начинается путь катаболизма белков с гидролиза (протеолиза) под действием ферментов протеазы и пептидазы.

Гидролиз белков начинается в желудке под действием фермента пепсина, этому способствует кислая среда желудочного сока рН=1-2 возникает благодаря выделению желудочных клеток соляной кислоты.

В тонком кишечнике при рН=7,8-8,4 , распад белков катализируется ферментами поджелудочной железы трипсином и химитрипсином.

АК – продукт гидролиза белков, поступающие из ЖКТ, являются важным фондом пополнения аминокислотного запаса клеток и тканей. Ограниченное поступление из вне даже одной из незаменимых АК вызывает резкий распад собственных белков тканей, АК используются в синтезе собственных белков, нуклеотидов, порфиринов и т. д.

В сутки взрослому человеку необходимо 100 г белка. Белки могут быть полноценными – в наличии все незаменимые АК и неполноценными – в наличии не все незаменимые АК. За сутки распадается и синтезируется 400 г белка. За 35 дней обновляются все белки.

О состоянии белкового обмена можно судить по азотистому балансу. Поскольку белки органов отличаются строгой видовой и тканевой специфичностью, живой организм обладает способностью использовать вводимый белок только в гидролизованном состоянии.

Всасывание АК через мембрану тонкого кишечника происходит под действием глутатиона. АК поступают в кровь воротной вены, затем в печень, где подвергаются ряду превращений.

13.4.1. Реакции цикла Кребса относятся к третьей стадии катаболизма питательных веществ и происходят в митохондриях клетки. Эти реакции относятся к общему пути катаболизма и характерны для распада всех классов питательных веществ (белков, липидов и углеводов).

Главной функцией цикла является окисление ацетильного остатка с образованием четырёх молекул восстановленных коферментов (трёх молекул НАДН и одной молекулы ФАДН2 ), а также образование молекулы ГТФ путём субстратного фосфорилирования. Атомы углерода ацетильного остатка выделяются в виде двух молекул СО2 .

13.4.2. Цикл Кребса включает 8 последовательных стадий, обращая особое внимание на реакции дегидрирования субстратов:

Рисунок 13.6. Реакции цикла Кребса, включая образование α-кетоглутарата

а) конденсация ацетил-КоА с оксалоацетатом , в результате которой образуется цитрат (рис.13.6, реакция 1); поэтому цикл Кребса называют также цитратным циклом . В этой реакции метильный углерод ацетильной группы взаимодействует с кетогруппой оксалоацетата; одновременно происходит расщепление тиоэфирной связи. В реакции освобождается КоА-SH, который может принять участие в окислительном декарбоксилировании следующей молекулы пирувата. Реакцию катализирует цитратсинтаза , это - регуляторный фермент, он ингибируется высокими концентрациями НАДН, сукцинил-КоА, цитрата.

б) превращение цитрата в изоцитрат через промежуточное образование цис-аконитата. Образующийся в первой реакции цикла цитрат содержит третичную гидроксильную группу и не способен окисляться в условиях клетки. Под действием фермента аконитазы идёт отщепление молекулы воды (дегидратация), а затем её присоединение (гидратация), но другим способом (рис.13.6, реакции 2-3). В результате данных превращений гидроксильная группа перемещается в положение, благоприятствующее её последующему окислению.

в) дегидрирование изоцитрата с последующим выделением молекулы СО2 (декарбоксилированием) и образованием α-кетоглутарата (рис. 13.6, реакция 4). Это - первая окислительно-восстановительная реакция в цикле Кребса, в результате которой образуется НАДН. Изоцитратдегидрогеназа , катализирующая реакцию, - регуляторный фермент, активируется АДФ. Избыток НАДН ингибирует фермент.

Рисунок 13.7. Реакции цикла Кребса, начиная с α-кетоглутарата.

г) окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата , катализируется мультиферментным комплексом (рис. 13.7, реакция 5), сопровождается выделением СО2 и образованием второй молекулы НАДН. Эта реакция аналогична пируватдегидрогеназной реакции. Ингибитором служит продукт реакции - сукцинил-КоА.

д) субстратное фосфорилирование на уровне сукцинил-КоА, в ходе которого энергия, освобождающаяся при гидролизе тиоэфирной связи, запасается в форме молекулы ГТФ. В отличие от окислительного фосфорилирования, этот процесс протекает без образования электрохимического потенциала митохондриальной мембраны (рис. 13.7, реакция 6).

е) дегидрирование сукцината с образованием фумарата и молекулы ФАДН2 (рис. 13.7, реакция 7). Фермент сукцинатдегидрогеназа прочно связан с внутренней мембраной митохондрии.

ж) гидратация фумарата , в результате чего в молекуле продукта реакции появляется легко окисляемая гидроксильная группа (рис. 13.7, реакция 8).

з) дегидрирование малата , приводящее к образованию оксалоацетата и третьей молекулы НАДН (рис.13.7, реакция 9). Образующийся в реакции оксалоацетат может вновь использоваться в реакции конденсации с очередной молекулой ацетил-КоА (рис. 13.6, реакция 1). Поэтому данный процесс носит циклический характер.

13.4.3. Таким образом, в результате описанных реакций подвергается полному окислению ацетильный остаток СН3 -СО- . Количество молекул ацетил-КоА, превращаемых в митохондриях в единицу времени, зависит от концентрации оксалоацетата. Основные пути увеличения концентрации оксалоацетата в митохондриях (соответствующие реакции будут рассмотрены позднее):

13.4.4. Некоторые метаболиты цикла Кребса могут использоваться для синтеза структурных блоков для построения сложных молекул. Так, оксалоацетат может превращаться в аминокислоту аспартат, а α-кетоглутарат - в аминокислоту глутамат. Сукцинил-КоА принимает участие в синтезе гема - простетической группы гемоглобина. Таким образом, реакции цикла Кребса могут участвовать как в процессах катаболизма, так и анаболизма, то есть цикл Кребса выполняет амфиболическую функцию (см. 13.1).

Под силой мышц обычно понимается способность преодолевать внешнее сопротивление, либо противодействовать ему посредством мышечных напряжений.

Скоростно-силовые качества главным образом зависят от энергообеспечения работающих мышц и от их структурно-морфологических особенностей, в значительной мере предопределенных генетически.

Проявление силы и быстроты характерно для физических нагрузок, выполняемых в зоне максимальной и субмаксимальной мощности. Следовательно, в энергообеспечении скоростно-силовых качеств преимущественно участвуют анаэробные пути ресинтеза АТФ – креатин-фосфатный и гликолитический.

Быстрее всего развертывается ресинтез АТФ за счет креатинфосфатной реакции. Она достигает своего максимума уже через 1–2 с после начала работы. Максимальная мощность этого способа образования АТФ превышает скорость гликолитического и аэробного путей синтеза АТФ в 1,5 и 3 раза соответственно. Именно за счет креатинфосфатного пути ресинтеза АТФ мышечные нагрузки выполняются с самой большой силой и скоростью. В свою очередь, величина максимальной скорости креатинфосфатной реакции зависит от содержания в мышечных клетках креатинфосфата и активности фермента креатинкиназы. Увеличить запасы креатинфосфата и активность креатинкиназы возможно за счет использования физических упражнений, приводящих к быстрому исчерпанию в мышцах креатинфосфата.

Для этой цели используются кратковременные упражнения, выполняемые с предельной мощностью. Хороший эффект дает применение интервального метода тренировки, состоящей из серий таких упражнений. Спортсмену предлагается серия из 4–5 упражнений максимальной мощности продолжительностью 8–10 с. Отдых между упражнениями в каждой серии равен 20–30 с. Продолжительность отдыха между сериями составляет 5–6 мин.

Выполнение скоростных и силовых нагрузок в зоне субмаксимальной мощности обеспечивается энергией в основном за счет гликолитического ресинтеза АТФ. Возможности этого способа получения АТФ обусловлены внутримышечными запасами гликогена, активностью ферментов, участвующих в этом процессе, и резистентностью организма к молочной кислоте, образующейся из гликогена. Поэтому для развития скоростно-силовых способностей, базирующихся на гликолитическом энергообеспечении, применяются тренировки, отвечающие следующим требованиям. Во-первых, тренировка должна приводить к резкому снижению содержания гликогена в мышцах с последующей его суперкомпенсацией. Во-вторых, во время тренировки в мышцах и в крови должна накапливаться молочная кислота для последующего развития резистентности к ней организма.

Промежутки отдыха как между отдельными упражнениями, так и между сериями упражнений явно недостаточны для восстановления запасов гликогена, и вследствие этого в ходе тренировки в мышцах происходит постепенное уменьшение содержания гликогена до очень низких величин, что является обязательным условием возникновения выраженной суперкомпенсации.

Структурно-морфологические особенности мышц, определяющие возможности проявления силы и быстроты, касаются строения как отдельных мышечных волокон, так и мышцы в целом. Скоростно-силовые качества отдельного мышечного волокна зависят от количества сократительных элементов – миофибрилл – и от развития саркоплазматической сети, содержащей ионы кальция. Саркоплазматическая сеть также участвует в проведении нервного импульса внутри мышечной клетки. Содержание миофибрилл и развитие саркоплазматической сети неодинаково в мышечных волокнах разных типов. В зависимости от преобладания тех или иных способов образования АТФ, химического состава и микроскопического строения выделяют три основных типа мышечных волокон: тонические, фазические и переходные. Эти типы волокон также различаются по своей возбудимости, времени, скорости и силе сокращения, продолжительности функционирования.

Тонические волокна содержат относительно большое количество митохондрий, в них много миоглобина, но мало сократительных элементов – миофибрилл. Основной механизм ресинтеза АТФ в таких мышечных волокнах – аэробный. Поэтому они сокращаются медленно, развивают небольшую мощность, но зато могут сокращаться длительное время.

Фазические волокна имеют много миофибрилл, хорошо развитую саркоплазматическую сеть, к ним подходит много нервных окончаний. В них хорошо развиты коллагеновые волокна, что способствует их быстрому расслаблению. В их саркоплазме значительны концентрации креатинфосфата и гликогена, высока активность креатинкиназы и ферментов гликолиза. Относительное количество митохондрий в белых волокнах значительно меньше, содержание миоглобина в них низкое, поэтому они имеют бледную окраску. Обеспечение энергией белых мышечных волокон осуществляется за счет креатинфосфатной реакции и гликолиза. Сочетание анаэробных путей ресинтеза АТФ с большим количеством миофибрилл позволяет волокнам данного типа развивать высокую скорость и силу сокращения. Однако вследствие быстрого исчерпания запасов креатинфосфата и гликогена время работы этих волокон ограничено.

Переходные мышечные волокна по своему строению и свойствам занимают промежуточное положение между тоническими и фазическими.

Даже из такого краткого перечисления различий между типами мышечных волокон следует, что для проявления силы и быстроты более предпочтительны белые волокна и близкие к ним по строению переходные волокна. Поэтому более выраженными скоростно-силовыми качествами, при прочих равных условиях, обладают те мышцы, в которых соотношение между мышечными волокнами смещено в сторону белых.

Соотношение между волокнами разных типов в скелетных мышцах неодинаковое. Так, мышцы предплечья, двуглавая мышца плеча, мышцы головы и другие содержат преимущественно физические волокна. Мышцы туловища, прямая мышца живота, прямая мышца бедра в основном содержат тонические волокна. Отсюда легко понять, почему указанные группы мышц существенно различаются по таким свойствам, как возбудимость, быстрота, сила, выносливость.

Соотношение между различными типами мышечных клеток у каждого человека генетически предопределено. Однако, используя физические нагрузки определенного характера, можно целенаправленно вызывать изменение спектра мышечных волокон. За счет применения силовых упражнений происходит смещение этого спектра в сторону преобладания белых волокон, имеющих больший диаметр по сравнению с красными и переходными, что в итоге приводит к гипертрофии тренируемых мышц. Основной причиной гипертрофии в этом случае является увеличение содержания в мышечных клетках сократительных элементов – миофибрилл. Поэтому мышечная гипертрофия, вызываемая силовыми нагрузками, относится к миофибриллярному типу.

Физические нагрузки, применяемые для развития мышечной гипертрофии миофибриллярного типа, на биохимическом уровне должны приводить к повреждению миофибрилл с последующей их суперкомпенсацией. С этой целью используются различные упражнения с отягощением.

Для развития силы часто используется метод повторных упражнений с напряжением 80–90% от максимальной силы. Наиболее эффективное отягощение – 85% от максимальной силы. В этом случае число повторений "до отказа" обычно 7–8. Каждое упражнение выполняется сериями, количество которых колеблется от 5 до 10, с интервалом отдыха между ними в несколько минут. Скорость выполнения упражнений определяется целью тренировки. Для преимущественного увеличения мышечной массы упражнения выполняются в медленном или умеренном темпе. Для одновременного развития силы и быстроты упражнения проводятся во взрывчато-плавном режиме: начальная фаза движения выполняется с большой скоростью, а завершается оно как можно более плавно. Поэтому в скоростно-силовых видах спортсмены в период силовой подготовки должны отказаться от медленного выполнения силовых упражнений, так как в этом случае утрачивается способность мышц к быстрому сокращению.

Время восстановления после скоростно-силовой тренировки составляет 2–3 дня. Однако, меняя мышечные группы, на которые направлены нагрузки, тренировочные занятия можно проводить через меньшие интервалы отдыха.

Обязательным условием эффективной силовой подготовки является полноценное, богатое белками питание, так как миофибриллы состоят исключительно из белков. Имеются данные о том, что развитию мышечной гипертрофии способствует ультрафиолетовое облучение. Предполагается, что под воздействием ультрафиолета увеличивается образование мужских половых гормонов, стимулирующих в организме синтез белков.

Этот путь катаболизма широко представлен в различных тканях человека и животных (печень, надпочечники, лимфотические узлы, эритроциты, жировая ткань и др.).

Ключевым ферментом апотомического пути является глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, впервые обнаруженная О.Варбургом в эритроцитах.

В этом пути катаболизма образуются различные фосфопентозы как промежуточные метаболиты и поэтому его называют пентозофосфатным циклом.

Путь прямого окисления глюкозо-6-монофосфата в основном протекает в цитозоле без участия кислорода:

6(глюкозо-6-фосфат)+12НАДФ+7НОН

5(глюкозо-6-фосфат)+6СО2+12НАДФН2+Н3РО4

В аэробных условиях процесс продолжается с участием ферментов дыхательной цепи митохондрий:

12 НАДФН2 + 6 (О2) 12 НАДФ + 12 НОН + ΔG(36АТФ)

Биологическая роль пентозного цикла состоит в следующем :

1. В этом пути при окислении одной молекулы глюкозо-6-фосфата образуется 12 НАДФН2, которые используются клетками для синтеза жирных кислот, стероидных гормонов, для обезвреживания ядов и др.

2. В этом процессе синтезируются различные пентозы, в том числе рибоза, необходимая для построения молекул нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

3. В аэробных условиях, при переносе протонов и электронов с цитозольных 12 молекул НАДФН2 в митохондрии на ферменты дыхательной цепи, возможен синтез 36 молекул АТФ в реакциях окислительного фосфорилирования.

Пентозофосфатный путь катаболизма углеводов активен прежде всего, в тех органах и тканях, в который требуется интенсивное использование НАДФН2 в реакциях восстановительных синтезов, использование рибозо-5-фосфата для синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

Поэтому высока активность этого пути в жировой ткани, печени, надпочечниках, половых железах, костном мозге, лимфоидной ткани и молочных железах.

Относительно активен этот путь в эритроцитах и мало активен в мышечной ткани.

Особое значение имеет пентозный цикл в растительных клетках, где основные реакции фотосинтеза по их механизму и фазности напоминают гексозомонофосфатный путь

Карнитиновый челночный механизм транспорта жирных кислот в митохондрии

В митохондриях за перенос жирных кислот отвечает специальная транспортная система. Активированные жирные кислоты в форме ацил-КоА становятся транспортабельными в цитоплазме после взаимодействия с карнитином . Образовавшийся ацилкарнитин транспортируется в матриксе карнитиновым переносчиком, обмениваясь на свободный карнитин. В матриксе ацильные остатки вновь связываются с КоА.\

Билет

1. Структурная организация живого, свойства живых систем.

Биохимические принципы, подходы и методы позволили в определенной мере расшифровать основные закономерности функциональной организации биосистем. Благодаря биохимии стали объяснимы такие свойства живых систем как:

· сложность структурной организации;

· питание и обмен веществ;

· дыхание;

· наследственность и изменчивость;

· многообразие форм и видов;

· рост и развитие;

· способность извлекать и преобразовывать энергию;

· способность к сохранению структурно-функциональной целостности организма;

· активное, незавизимое передвижение в пространстве;

· самовоспроизводство себе подобных;

· приспособляемость;

· раздражимость.

Все свойства живых систем имеют материальную основу, которая определяется, формируется и функционирует благодаря структурной организации химических соединений в клетку.

ОРГАНЕЛЛЫ:

белки....аминокислоты

НК....нуклеотиды

липиды.....жирные к-ты и глицирин

полисахариды.....моносахариды

1. Структурная организация и функции хромосом и рибосом.

Вся информация о человеке хранится в хромасомах. Хромосомы по своей химической природе являются нуклеопротеодами. Нуклеопротеиды состоят из белковой части (гистоны, протамины) и простетической группы (НК).Высокополимерные ДНК в комплексе с молекулами белков и составляют хромасому. Молекула ДНК за счет остатков фосфорной кислоты заряжается отрицательно и присоединяет к своей поверхности положительно заряженные белки, образую сложный белок дезоксирибонуклеопротеид называемый хроматином. Спираль ДНК соединяется с группами из 8 молекул гистона и образует нуклеосомы - частицы, имеющие вид нанизанных на нитку бусинок. Эти нуклеосом и соединяющие их участки ДНК плотно упакованы в виде спирали толщиной в 36 нм. На каждый виток спирали приходится примерно 6 нуклеосом, которые по своим размерам и другим признакам соответствуют хромомере хромосом. Все хромосомы состоят из двух хромомер и соеденены друг с другом центральными двумя нитями ДНК.

Функции хромосом заключается:

В хранении наследственной информации. Хромосомы являются носителями генетической информации.
- В передаче наследственной информации. Наследственная информация передается путем репликации молекулы ДНК.
- В реализации наследственной информации. Благодаря воспроизводству того или иного типа и-РНК и соответственно того или иного типа белка осуществляется контроль над всеми процессами жизнедеятельности клетки и всего организма.

Сформулированы основные принципы структурной организации рибосомы: 1) рибосома построена из двух неравных субчастиц; 2) высокополимерная РНК каждой рибосомной субчастицы компактно свернута специфическим образом, формируя структурное ядро рибосомной субчастицы; 3) разнообразные рибосомные белки собраны на ядре РНК как на каркасе, так что каждый белок узнает свою посадочную площадку.

Рибосомы представляют собой субклеточные частицы с козффициенто седиментации 80S и молекулярной массой 4,5 млн. Они состоят из двух субъединиц - большой (60S) и малой (40S). Каждая из субъединиц содержит РНК и белки.

Функции рибосом: синтез белков.

1. Характеристика ферментов класса трансфераз.

2 класс ферментов - трансферазы. Ферменты этого класса катализируют перенос функциональных групп и делятся по этому принципу на 8 подклассов:

• переносит одноуглеродные остатки (метил-, метелин-)
• переносят альдегидные или кетоновые группы
• переносят ацильные (кислотные) остатки
• переносят гликозильные остатки
• переносят алкильные или арильные группы
• переносят азотсодержащие группы (амино-, амидино-)
• переносят фофорсодержащие группы
• переносят серосодержащие группы (тиогруппы)

1. Строение, пищевые источники и биологические функции витамина РР.

Витамин PP существует в двух формах - никотиновой кислоты и никотиномида.

Источники

Говяжья печень, дрожжи, брокколи, морковь, сыр, кукурузная мука, листья одуванчика, финики, яйца, рыба, молоко, арахис, свинина, картофель, помидоры, проростки пшеницы, продукты из цельных злаков.

Травы, богатые витамином PP: люцерна, корень лопуха, котовник кошачий, кайенский перец, ромашка, песчанка, очанка, семя фенхеля, пажитник сенной, женьшень, хмель, хвощ, коровяк, крапива, овес, петрушка, мята перечная, листья малины, красный клевер, плоды шиповника, шалфей, щавель.

Действие

Активное воздействие витамина PP на обменные процессы обусловлено его вхождением в состав ниацинамидадениндинуклеотида (НАД) и ниацинамидадениндинуклеотида фосфата (НАДФ), являющихся кофакторами ряда ферментов. В частности, ниацинамид входит в состав кодегидраз, являющихся переносчиками водорода к флавопротеиновым ферментам, и тем самым регулирует окислительно-восстановительные процессы в организме.

1. Окислительное фосфорилирование, коэффициент Р/0 и АДФ/0

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ, синтез АТФ из аденозиндифосфата и неорг. фосфата, осуществляющийся в живых клетках, благодаря энергии, выделяющейся при окислении орг. в-в в процессе клеточного дыхания. В общем виде окислительное фосфорилирование и его место в обмене в-в можно представить схемой:

Энергия окисляющихся веществ используется для синетза АТФ из АДФ. В молекуле АТФ имеютсядве высокоэнергетические (макроэргические) связи:

В молекуле АДФ только одна высокоэнергетическая связь, в результате синтеза АТФ путем окислительного фосфорилирования добавляется еще одна, т.е. Энергия окисления субстрата трансформируется в энергию химических связей в молекуле АТФ. Т.е. Главный путь синтеза АТФ из АДФ - окислительное фосфорилирование, при этом Адф фосфорилируется неорганическим фосфатом:

АДФ + Н3 РО4 + энергия --- АТФ + Н2 О

Синтез АТФ осуществляется на уроне трех участков дыхательной цепи митохондрий, где имеется достаточной величины разность редокс-потенциалов. Первый участок м/у НАД и ФМН (0,21в), второй - м/у b и c (0,22в), третий м/у цитохромоксидазой(а+а3) и кислородом (0,29в).

Для качественной оценки был введен покзатель окислительного фосфолирирования- коэффициент Р/0 - отношение количества молекул фосфорной кислоты к количеству атомов кислорода использованных митоондриями при окислении какого-либо субстрата.

Другим показателем, характеризующим активность митохондрий в 3-м состоянии, является коэффициент АДФ/О. Величина АДФ/О характеризует функциональную организацию механизмов, определяющих процесс фосфорилирования АДФ в митохондриальной мембране и связь их с активностью терминальной дыхательной цепи.

Чем больше величина АДФ/О, тем меньше затрачивается кислорода на фосфорилирование, тем соответственно выше коэффициент полезного действия митохондрий с точки зрения запасания энергии для дальнейших внутриклеточных метаболических процессов.

1. Биосинтез гликогена. Биологичечкая роль этого процесса.

Значительная часть глюкозы, поступающей в клетки при пищеварении, превращается в гликоген - запасной полисахарид, используемый в интервалах м/у приемами пищи. Синтез осуществляется во всех клетках организма,но особенно активно потекает в скелетных мышцах и печени.

Ключевым ферментом синтеза гикогена является активная форма - гликогенсинтетаза «а», которая цАМФ зависимой протеинкиназой переводит ее в неактивную форму - гликогенсинтетазу «b».

Гликоген по строению сходен с крахмалом. Непосредственным донором глюкозных остатков при биосинтезе гликогена служит УДФ-глюкоза, которая образуется из УТФ и глюкозо-1-фосфата под воздействием фермента глюкозо-1-фосфат-уридил-трансферазы: глюкозо-у-фосфат + УТФ -УДФ-глюкоза + Н3РО4

Под воздействием гликогенсинтетазы (1,4-гликозилтрансферазы) происходит перенос остатков глюкозы с УДФ-глюкозы на олигосахаридный фермент (гликоген-затравка). Врезультате синтезируется линейная цепь гликогена, остатки глюкозы соеденены друг с другом 1-4 альфа-гликозидной связью:

УДФ-глюкоза + n(глюкоза)--- УДФ + 1,4-гликоген

Ветвления в молекуле гликогена возникают в результате действия фермента ветвления - амило-1,4-->1,6 гликозилтрансферазы, который переносит фрагмент (олигосахарид) из 5-7 мономеров от 1,4-гликогена и присоединяет его к центру оставшейся линейной цепи гликогена 1,6- гликозидной связью:

(1,4)-гликоген ----- 1,4-1,6-гликоген

РОЛЬ: необходимость превращения глюкозы в гликоген при запасании энергетического материала обусловлена тем, что накопление легкорастворимой глюкозы в клетках могло бы привести к осмотическому шоку- разрушению клеточной мембраны.

1. Механизм резервирования и мобилизации жиров.

Главными резервными липидами явл. триацилглицириды, депонируемые в липоцитах жировой ткани. Резервирование липидов в ировой ткани идет за счет использования жирных кислот, освобождаемх при разрушении хиломикронов, или доставляемых альбуминами плазмы крови из других тканей. Поскольку в жировой ткани очень низка активность фосфоглицираткиназы, фермента активируещего глицирин, то фактически использование глицирина для синтеза липидов становиься невозможным. Вследствие этого, избыточное употребление в пищу углеводов может ускорить синтез жиров в жировой ткани. Следовательно одной из ричин избыточного отложения жира в жировых депо является не ирная пища, а углеводы.

Резервированию жиров в жировых депо способствует гормон поджелудочной железы инсулин. При снижении уроня глюкозы в крови резервирование прекращается и включается процесс мобилизации. Мобилизация наблюдается при длительных физичеких нагрузках, адаптации к холоду, стресс. Мобилизация запускается активацией адреналином гормон чувствительной триацилглицеринлипазы.тот фермент находится в клетках жировой ткани в неактивном виде и активируется через аденилатциклазный каскадный механизм. Пусковым фактором явл.выброс адреналина, который связывается с адренорецепторами активирует аденилатциклазу, фермент синтезиующий 3"5"АМФ изАТФ.

Билет

1. Важнейшие этапы истории биохимии. Разделы биохимии.

Биологическая химия (биохимия) - наука, предметом изучения которой являются химический (молекулярный) состав живых организмов и химические (биохимические) реакции, которые происходят в этих организмах и лежащих в основе их жизнедеятельности, то есть выполнение разнообразных физиологических функций. Раздел, изучающий химический состав живых организмов и свойства химических соединений, выделенных из живых тканей, называетсястатической биохимией .

Все многообразие химических реакций в организме, их взаимосвязь и регуляция, а также сопряженные с ними превращения энергии в процессах жизнедеятельности изучаются динамической биохимией .

Биохимические процессы, лежащие в основе жизнедеятельности отдельных тканей и органов и проявления их специфической функции, рассматриваются различными разделами функциональной биохимии .

1. Строение и функции генетического кода: код, кадон и антикадон.

Генети́ческий код - свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.

В ДНК используется четыре азотистых основания - аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), которые в русскоязычной литературе обозначаются буквами А, Г, Ц и Т. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён похожим нуклеотидом - урацилом, который обозначается буквой U(У в русскоязычной литературе). В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв.

Антикодон - участок молекулы транспортной РНК, состоящий из трех нуклеотидов, комплементарно связывающийся с кодоном информационной РНК, что обеспечивает правильную расстановку каждой аминокислоты при биосинтезе белка.

Кодон - дискретная единица генетического кода, состоящая из трех последовательных нуклеотидов, в молекуле ДНК или РНК.

4.1 Биохимические пути окисления глюкозы..doc

ДЫХАНИЕ
В этой главе рассматриваются процесс аэробного дыхания, в котором осво-бождаемая при окислении углеводов свободная энергия преобразуется в энер-гию, заключенную в молекулах АТФ, а также механизмы, позволяющие растению контролировать энергетический статус клетки. Особое внимание уделе-но особенностям растений, связанным с наличием альтернативных путей в дыхательном метаболизме. Кроме того, обсуждаются вопросы, связанные с генерацией клеткой активных форм кислорода.

В процессе фотосинтеза растения синтезируют углеводы, которые транс-портируются из листьев в другие органы. На свету и в темноте клетки растения «дышат», окисляя углеводы молекулярным кислородом с образованием СО 2 и воды. При этом освобождается большое количество свободной энергии:

С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 = 6СО 2 + 6Н 2 О + энергия;
∆G = -2882 кДж/моль (-686 ккал/моль)

Эта формула в общем виде отражает чрезвычайно сложный, а главное, кон-тролируемый процесс, который условно можно разбить на три этапа: гликолиз, цикл трикарбоновых кислот и окислительное фосфорилирование в дыхательной цепи (рис. 4.1).

Гликолиз и цикл трикарбоновых кислот - это биохимические пути окисле-ния глюкозы, протекающие соответственно в цитозоле и матриксе митохонд-рий. В биохимических реакциях синтезируется небольшое количество АТФ, и главный их результат - образование соединений с высоким восстановитель-ным потенциалом - НАДН и ФАДН 2 . На заключительном этапе восстановительные эквиваленты окисляются в электрон-транспортной цепи, локализованной во внутренней мембране митохондрий. Перенос электрона в цепи за-вершается восстановлением кислорода до воды. В процессе электронного транспорта на мембране образуется электрохимический протонный градиент Δ
, энергия которого используется для синтеза АТФ из АДФ и Ф н. Процесс, в котором работа дыхательной цепи сопряжена с синтезом АТФ, получил на-звание окислительного фосфорилирования. Именно в этом процессе синтезиру-ется основная масса АТФ, образуемого при дыхании.

И у растений, и у животных дыхание выполняет три основные функции. Во-первых, освобождаемая при окислении углеводов энергия преобразуется в конвертируемые формы клеточной энергии - Δ и АТФ. Вторая, не менее важная функция - снабжение клетки метаболитами, которые образуются в ходе окисления глюкозы и используются в разнообразных биосинтезах. Третья функция связана с термогенезом, т. е. рассеиванием энергии в виде тепла. Про-цесс дыхания принципиально сходен у животных и растений, но у последних имеет свои особенности. Все вместе они отражают пластичность растительного метаболизма и связаны с функционированием, наряду с основными, альтер-нативных ферментов и реакций. Наличие альтернативных путей расширяет адап-тивные возможности растений, но усложняет (с точки зрения исследователя) систему регуляции метаболических процессов.

Рис. 4.1. Основные этапы дыхания.

Окисление глюкозы в процессе гликолиза сопровождается восстановлением двух молекул НАД + , синтезом двух молекул АТФ и завершается образованием двух молекул пирувата. В митохондриях пируват подвергается полному окислению до СО 2 в реакциях, катализируемых пируватдегидрогеназным комплексом (ПДК) и ферментами цикла трикарбоновых кислот (ЦТК). В этих процессах образуются 4НАДН, 1ФАДН 2 , а также одна молекула АТФ. Восстановительные эквива-ленты окисляются, отдавая электроны в электрон-транспортную цепь, локализованную во внутренней митохондриальной мембране. Электронный транспорт приводит к восстановлению кислорода до воды и сопряжен с синтезом основной массы АТФ в процессе окислительного фосфорилирования.

^ 4.1. БИОХИМИЧЕСКИЕ ПУТИ ОКИСЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ
4.1.1. СТРУКТУРА МИТОХОНДРИЙ

Основные события, связанные с дыханием, происходят в митохондриях. Растительные митохондрии, как правило, сферической или цилиндрической формы, их число может сильно варьировать в зависимости от метаболической активности клетки. Две мембраны, наружная и внутренняя, делят митохонд-рию на два функциональных компартмента - межмембранное пространство и матрикс (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Структура митохондрий
Особые белки, называемые поринами, образуют в наружной мембране крупные гидрофильные каналы, или поры, через которые в меж-мембранное пространство из цитозоля свободно могут проникать соединения с молекулярной массой не более 10 кДа. Это практически все основные мета-болиты клетки. Внутренняя мембрана образует многочисленные складки, кри-сты, которые увеличивают ее поверхность. Во внутреннюю мембрану интегри-рованы электрон-транспортная цепь (ЭТЦ) и АТФ-синтаза. В отличие от дру-гих клеточных мембран внутренняя мембрана митохондрий обогащена белком (75 %) и содержит особый фосфолипид (дифосфатидилглицерол) - кардиолипин. Она пропускает газы, воду и небольшие липофильные молекулы, но непроницаема для заряженных молекул и ионов, что является обязательным условием ее функционирования как сопрягающей мембраны. Однако в мемб-ране есть белки - транспортеры, с помощью которых возможен обмен мета-болитами между матриксом и цитозолем (см. подразд. 4.1.8 и 4.2.11). Матрикс, т. е. окруженное внутренней мембраной пространство, содержит ферменты цикла трикарбоновых кислот.
^ 4.1.2. ГЛЮКОЗА - ОСНОВНОЙ СУБСТРАТ ДЫХАНИЯ У РАСТЕНИЙ

Основным субстратом дыхания у растений являются глюкоза и ее произ-водные, хотя в особых случаях дыхание могут поддерживать белки и жиры, запасенные в семенах. Глюкоза образуется в клетках растений при гидролизе крахмала и сахарозы - продуктов фотосинтеза. Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов - амилозы и амилопектина. Молекулы амилозы - это длинные, неразветвленные цепи α-D-глюкопиранозных остатков, соеди-ненных гликозидными α(1→4)-связями. Молекулы амилопектина также представлены цепями α -D-глюкопиранозных остатков, которые в точке ветвления образуют а(1→6)-связь. Крахмал как запасный полисахарид накапливается в хлоропластах и пластидах гетеротрофных тканей. Некоторые растения - топи-намбур (Heliantus tuberosus ), георгин (Dahlia sp .) в качестве запасных углеводов могут использовать инулин и гемицеллюлозы. Сахароза - это дисахарид, обра-зованный остатками глюкозы и фруктозы. Она синтезируется в цитозоле, из фотосинтезирующих клеток по апопласту листа и сосудам флоэмы транспор-тируется в другие органы растения.

Крахмал расщепляется до моносахаридов при участии ряда ферментов (α- и β-амилазы, α-1,6-глюкозидазы, крахмалфосфорилазы и др.) с образованием D-глюкозы или D-глюкозо-1-фосфата. Распад сахарозы может идти при обра-щении реакций ее синтеза, но в основном происходит в результате гидролиза при участии фермента инвертазы:

Сахароза + Н 2 О → фруктоза + глюкоза

В геноме таких растений, как томат (Lycopersicon esculentum ), кукуруза (Zea mays ), арабидопсис (Arabidopsis thaliana ), морковь (Dancus carota ), обнаружено целое семейство ядерных генов, кодирующих разные изоформы инвертазы. Например, у моркови кислые инвертазы (оптимум рН 4,5 - 5,0) в пяти разных изоформах присутствуют в вакуоли и клеточной стенке. В цитозоле есть нейт-ральная инвертаза (оптимум рН 7,0-8,0), которая также может иметь несколько изоформ. Таким образом, у растений гидролиз сахарозы может идти в разных клеточных компартментах и контролируется сложным образом через актив-ность инвертаз, обладающих разными свойствами.
^ 4.1.3. ГЛИКОЛИЗ - ПЕРВЫЙ ЭТАП ДЫХАНИЯ

Гликолиз - это универсальная последовательность реакций, общая для всех известных науке организмов, в ходе этих реакций глюкоза последовательно окисляется до пирувата. Окисление сопровождается образованием двух моле-кул НАДН и синтезом 2 молекул АТФ. Несомненно, что гликолиз - эволюционно самый ранний из известных способов получения энергии, и единствен-ный для многих анаэробных бактерий. В аэробный метаболизм гликолиз вклю-чен как начальный этап окисления глюкозы.

Реакции гликолиза (рис. 4.3) протекают в цитозоле и катализируются фер-ментами, легко экстрагируемыми из клеток. Вначале богатая энергией, но ста-бильная молекула глюкозы фосфорилируется за счет АТФ в реакции (1), ката-лизируемой гексокиназой. Образованный глюкозо-6-фосфат изомеризуется во фруктозо-6-фосфат (2) и еще раз фосфорилируется до фруктозо-1,6-бисфосфата с использованием еще одной молекулы АТФ (3). Эта необратимая реак-ция, ключевая в регуляции гликолиза (см. подразд. 4.1.7), имеет у растений следующую особенность. Если у животных данную реакцию катализирует толь-ко один фермент -

^ АТФ-зависимая фосфофруктокиназа (3), то в клетках рас-тений на этой стадии действуют сразу два фермента. Помимо АТФ-зависимой фосфофруктокиназы растения содержат также пирофосфатзависимую фосфофруктокиназу, которая катализирует фосфорилирование фруктозо-6-фосфата, используя не АТФ, а пирофосфат (4).

Рис. 4.3. Реакции гликолиза.

Реакции 1- 17 катализируют следующие ферменты: 1 - гексокиназа; 2 - фосфоглюкоизомераза; 3 - АТФ-зависимая фосфофруктокиназа (АТФ: В-фруктозо-6-фосфат-1-фосфотрансфераза); 4 - ФФ н -зависимая фосфофруктокиназа; 5 - фруктозо-1,6-бисфосфат альдолаза; 6 - триозофосфатизомераза; 7 - глицеральдегид-3-фосфат дегидрогеназа; 8 - фосфоглицераткиназа; 9 - фосфоглицеромутаза; 10 - енолаза; 11 - пируваткиназа (АТФ пируват-фосфотрансфераза); 12 - пируваткарбоксилаза; 13, 14 - НАД-зависимая малатдегидрогеназа; 15 - ФЕП-карбоксикиназа;

16 - фруктозо-1,6-бисфосфатаза; 17 - глюкозо-6-фосфатаза;→ - необратимая реакция;

↔ - обратимая реакция; ∙∙∙∙∙∙ - обходные реакции при обращении гликолиза;

Фосфатная группа:

Впервые этот фермент был обнаружен у пропионовокислых бактерий в начале 1980-х гг. в листьях ананаса (Ananas comosus ), а затем и в других растительных объектах.

Цитозоль растительных клеток содержит пирофосфат (ФФ Н) в довольно высокой и устойчивой концентрации, который в ряде случаев выступает как энергетический эквивалент, или как донор фосфатных групп. ФФ н -зависимая фосфофруктокиназа способна катализировать реакцию фосфорилирования фруктозо-6-фосфата в обоих направлениях, работая либо на синтез ФФ Н либо на его удаление. Предполагается, что таким образом контролируется пул ФФ Н в цитозоле.

Отрицательно заряженные фосфатные группы в молекуле фруктозо-1,6-бис-фосфата облегчают ее распад при участии альдолазы на 3-фосфоглицериновый альдегид (3-ФГА) и фосфодиоксиацетон (ФДА) (5). Последний легко изомеризуется в ФГА (6). На этой реакции завершается первая стадия гликолиза: при использовании двух молекул АТФ глюкоза фосфорилируется и расщепля-ется на две половинки - фосфотриозы, которые в дальнейшем подвергаются одинаковым превращениям.

Вторая стадия гликолиза включает окислительно-восстановительные реак-ции, в которых образуются НАДН и АТФ. Окисление 3-фосфоглицеринового альдегида (7) катализирует глицералъдегид-3-фосфат дегидрогеназа. В ходе этой сложной реакции, которая идет через образование фермент-субстратного ком-плекса, восстанавливается НАДН и образуется

1,3-дифосфоглицериновая кис-лота (1,3-ФГК). Последняя представляет собой высокоэнергетическое соеди-нение, в молекуле которого есть макроэргическая фосфатная связь. Синтез АТФ осуществляется при переносе фосфатной группы от 1,3-ФГК на АДФ в реакции (8), катализируемой фосфоглицераткиназой. Таким образом, АТФ син-тезируется в результате совместного действия двух реакций, в первой из кото-рых макроэргическая связь образуется на молекуле окисляемого субстрата. По-этому такой способ синтеза АТФ получил название субстратного фосфорилиро-вания. В следующей реакции (9) 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту, от которой при участии енолазы отщепляется молекула воды (10). В результате этой реакции вновь образуется высокоэнерге-тическое соединение - фосфоенолпируват (ФЕП). Второе субстратное фосфорилирование связано с переносом фосфатной группы от ФЕП на АДФ, ката-лизируемом пируваткиназой (11). Образованный пируват является конечным продуктом гликолиза.

У растений обнаружены ферменты, при участии которых возможен «обход» некоторых реакций гликолиза. Так, в клетках растений есть НАДФ-зависимая глицеральдегид-3-фосфат дегидрогеназа, катализирующая реакцию

3-ФГА + НАДФ + + Н 2 ^ О → 3-ФГК + НАДФН + 2Н +

В вакуолях некоторых растений (у Catharanthus roseus , Cupinus albus , Brassica nigra , Allium сера) обнаружена ФЕП-фосфатаза, катализирующая реакцию

ФЕП + Н 2 О
Пируват + Ф н

Оба альтернативных фермента активируются при фосфорном голодании.

Энергетический выход гликолиза небольшой. Если учесть, что на первом этапе активация глюкозы связана с расходом двух молекул АТФ, суммарный баланс можно выразить через уравнение

Глюкоза + 2НАД + + 2Ф Н + 2АДФ→ 2Пируват + 2НАДН + 2Н + + 2АТФ + 2Н 2 О

У растений гликолиз протекает не только в цитозоле, но и в пластидах. Пластидные и цитозольные изоформы кодируются разными ядерными генами и могут существенно различаться по своим свойствам. Пластидный гликолиз, связанный с мобилизацией крахмала, имеет место в гетеротрофных и фотосинтезирующих тканях. Однако в хлоропластах процесс, по-видимому, проте-кает только в темноте. Считается, что на свету активность пластидной изофор-мы

АТФ-зависимой фосфофруктокиназы подавлена из-за высокой концентра-ции АТФ (см. подразд. 4.1.7). Пирофосфатзависимая фосфофруктокиназа не обнаружена в хлоропластах и пластидах.

Предполагается, что образованные в гликолизе пируват, АТФ и НАДН ис-пользуются в синтезе жирных кислот, который у растений протекает в пластидах. Следует также иметь в виду, что пластидный гликолиз может идти не до конца, так как такие соединения, как ФГА и ФГК, могут выходить из хлоропластов и включаться в гликолиз, протекающий в цитозоле.

При прорастании семян, если еще достаточно прочная наружная оболочка препятствует доступу кислорода, или при затоплении корней растений глико-лиз завершается реакциями спиртового или молочнокислого брожения. При этом образованный ранее НАДН вновь окисляется при восстановлении пирувата соответственно до этанола или молочной кислоты. Обычно сначала при участии лактатдегидрогеназы образуется молочная кислота:

Пируват + НАДН + Н
Лактат + НАД

При накоплении молочная кислота подкисляет цитозоль, что необходимо для активации пируватдекарбоксилазы, которая при рН > 7,0 находится в неактив-ной форме. При участии этого фермента на конечном этапе синтезируется этанол:

Пируват Ацетальдегид + СО 2 ;
Ацетальдегид + НАДН + Н + Этанол + НАД +

Этанол в отличие от молочной кислоты способен выходить из клеток в меж-клеточники, что менее опасно, чем накопление в цитозоле лактата. Брожение обеспечивает выживание растений ограниченное время в условиях недостаточ-ного снабжения кислородом, т. е. при аноксии. По устойчивости к этому стрессу растения могут сильно различаться. Если некоторые болотные растения выжи-вают в условиях аноксии в течение месяцев, то проростки ячменя или пшеницы не выдерживают и нескольких часов. Следует отметить, что в развивающихся пыльцевых зернах кукурузы (Zea mays ) и табака (Nicotiana tabacum ) спиртовое брожение имеет место в аэробных условиях и протекает наряду с дыханием.
^ 4.1.4. СИНТЕЗ САХАРОВ ПРИ ОБРАЩЕНИИ ГЛИКОЛИЗА

Реакции гликолиза могут идти в обратном направлении, в результате чего из пирувата вновь будут синтезированы углеводы. Такой обращенный гликолиз носит название глюконеогенеза:

Глюкоза
Пируват
Глюкоза
Пируват

Большинство реакций гликолиза близки к равновесию и легко обратимы. Только три реакции, катализируемые киназами (гексокиназой, фосфофруктокиназой и пируваткиназой), необратимы. На этих участках гликолиз идет в обратном направлении с помощью других ферментов и реакций (см. рис. 4.3). Для обращения реакции, катализируемой пируваткиназой, и получения ФЕП из пирувата необходим обходной путь, в котором участвуют ферменты цитозоля и митохондрий. Сначала пируват поступает в митохондрии, где при уча-стии пируваткарбоксилазы карбоксилируется в энергозависимой реакции (12) с образованием оксалоацетата (ОАА). В митохондриях ОАА восстанавливается за счет НАДН с образованием малата (13) при участии НАД-зависимой малатдегидрогеназы. Этот фермент катализирует легко обратимую реакцию, ко-торая идет в направлении синтеза малата, так как соотношение НАДН/НАД в митохондриях высокое. Далее малат выносится в цитозоль и вновь окисляется до ОАА (14). И наконец, оксалоацетат превращается в ФЕП в энергозависи-мой реакции, катализируемой

^ ФЕП-карбоксикиназой (15). Далее фосфоенолпируват легко превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат за счет обращения реакций гликолиза. Обращение реакций (16 и 17), катализируемых гексокина-зой и фосфофруктокиназами, достигается при действии соответствующих фосфатаз. Из 6С-сахаров, образованных в результате глюконеогенеза, возможен синтез сахарозы при участии сахарозофосфатсинтазы. Таким образом, в мета-болизме растений существует способ синтеза Сахаров из пирувата. Наиболее активно глюконеогенез протекает в прорастающих семенах тех растений, в которых запасными соединениями являются жиры (см. подразд. 4.1.9).
4.1,5. ОБРАЗОВАНИЕ ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ЭКВИВАЛЕНТОВ, АТФ И СО 2 ^ В ЦИКЛЕ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

В процессе гликолиза освобождается лишь незначительная часть той энер-гии, которая потенциально заключена в такой сложной молекуле, как глюко-за. В аэробных условиях пируват поступает в митохондрии, где подвергается окончательному окислению с образованием СО 2 .

Сначала окисление пирувата катализирует сложный пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) (рис. 4.4). В его состав входят три фермента (пируватдегидрогеназа, дигидролипоилтрансацетилаза, дигидролипоилдегидрогеназа) и пять коферментов (тиаминпирофосфат - витамин В 1 , липоевая кислота, НАД, ФАД и коэнзим А).

В реакции окисления пирувата участвует коэнзим А (СоА-SH) - сложная молекула, в составе которой есть активная SH-группа. Коэнзим А функциони-рует как универсальный переносчик ацетильных групп в разных ферментатив-ных реакциях. Это соединение способно связывать остатки уксусной кислоты с образованием макроэргической тиоэфирной связи в молекуле

Ацетил-СоА. Окислительное декарбоксилирование пирувата (7) пируватдегидрогеназным комплексом сопровождается восстановлением НАД до НАДН, отщеплением СО 2 и образованием ацетил-СоА. Ацетил-СоА вступает на путь дальнейших превращений в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК), известным также как цикл Кребса, или цикл лимонной кислоты. Цикл был открыт в результате блестя-щих работ, выполненных в лаборатории английского биохимика Г. А. Кребса в 30-х гг. XX в. на летательных мышцах голубя. Как выяснилось впоследствии, ЦТК - универсальный путь окисления остатков уксусной кислоты, включенный как обязательный компонент в дыхательный метаболизм аэробных орга-низмов. У животных и растений все ферменты цикла кодируются ядерными генами, обладают несомненным сходством и, за единственным исключением, локализованы в матриксе митохондрий.

Рис. 4.4. Окисление пирувата в матриксе митохондрий через пируватдегидрогеназный

Комплекс и цикл трикарбоновых кислот.

Окислительное декарбоксилирование пирувата сопровождается выделением СО 2 , восстановле-нием НАДН и синтезом ацетил-СоА. В реакции, катализируемой цитратсинтазой, ацетил-СоА конденсируется с оксалоацетатом с образованием цитрата. В ЦТК цитрат окисляется с выделением двух молекул СО 2 , в результате вновь синтезируется оксалоацетат. В реакциях ЦТК образу-ются 3 НАДН и 1 ФАДН 2 , а также синтезируется 1 АТФ. Образованный оксалоацетат вновь реагирует с ацетил-СоА, запуская следующий оборот цикла. Реакции 1- 9 1 - пируватдегидрогеназный комплекс; 2 - цитратсинтаза; 3 - аконитаза; 4 - НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа; 5 - α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс; б - сукцинил-СоА-синтетаза; 7 - сукцинатдегидрогеназа; 8 - фумараза; 9 - НАД-зависимая малатдегидрогеназа
Изомеризация цитрата в изоцитрат включает две реакции, связанные сна-чала с отщеплением, а затем присоединением воды (3). Обе реакции катализи-руются одним ферментом - аконитазой. Далее следуют две реакции окисли-тельного декарбоксилирования, каждая из которых связана с восстановлением НАД и выделением СО 2 . Сначала НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа окис-ляет изоцитрат (4) с образованием α-кетоглутарата, СО 2 и НАДН. Эта самая медленная реакция определяет скорость оборота всего цикла. Образованный α-кетоглутарат подвергается дальнейшему окислению α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, который по своей структуре и механизму действия является аналогом ПДК. В результате реакции (5) образуются НАДН, СО 2 и сукцинил-СоА. Далее сукцинил-СоА-синтетаза катализирует превращение сукцинил-СоА в сукцинат (6), что сопровождается фосфорилированием АДФ за счет энергии тиоэфирной связи в молекуле сукцинил-СоА. Это единственная реакция цикла, в которой за счет субстратного фосфорилирования синтезируется АТФ (растения) или ГТФ (животные).

Сукцинат окисляется до фумарата (7) сукцинатдегидрогеназой. Этот фер-мент локализован не в матриксе, а во внутренней мембране митохондрий и представляет собой один из компонентов дыхательной цепи - комплекс II. В ходе окисления сукцината электроны передаются на молекулу ФАД, кото-рая является простетической группой в составе комплекса. Электроны с ФАДН 2 прямо уходят в дыхательную цепь. Таким образом, сукцинатдегидрогеназа - это общий компонент ЦТК и дыхательной цепи (см. подразд. 4.2.3). Далее фумараза гидратирует фумарат с образованием малата (8). И наконец, цикл замыкается реакцией окисления малата в оксалоацетат (9) при участии НАД-зависимой малатдегидрогеназы. Это третья реакция цикла, в которой генери-руются НАДН. Хотя данная реакция легкообратима, in vivo ее равновесие сдвинуто в сторону образования оксалоацетата. Сдвиг происходит потому, что продукты реакции быстро используются: оксалоацетат вновь реагирует с очередной молекулой ацетил-СоА и вступает в следующий оборот цикла, а НАДН окисляется в дыхательной цепи. Хотя большинство реакций цикла об-ратимы, две из них, катализируемые цитратсинтазой и α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, физиологически необратимы и контролируют на-правление цикла.

Таким образом, в матриксе митохондрий завершается процесс окисления глюкозы, начавшийся в цитозоле. В результате действия ПДК и одного оборота ЦТК молекула пирувата полностью окисляется с образованием 3 молекул СО 2 . Окисление пирувата сопровождается образованием 4 молекул НАДН, восста-новлением ФАД и синтезом одной молекулы АТФ.

Энергетический выход при окислении глюкозы принято приравнивать к 36 молекулам АТФ. Эта цифра базируется на том, что окисление в дыхатель-ной цепи НАДН, образованного в ЦТК, связано с синтезом трех молекул АТФ, а ФАДН 2 - двух. Образованный в цитозоле НАДН также может быть окислен в цепи с образованием двух молекул АТФ (см. подразд. 4.2.6 и 4.2.9). При полном окислении глюкозы 2НАДН образуются при гликолизе в цитозоле, 8НАДН и 2ФАДН 2 - в матриксе при окислении двух молекул пирувата. При окислении всех восстановленных эквивалентов в дыхательной цепи в сумме может быть получено 32 АТФ. Если учесть 4 молекулы АТФ, образованных на уровне субстратного фосфорилирования (2 АТФ в гликолизе и 2 АТФ в ЦТК), общий итог составит 36 молекул АТФ. Следует отметить, что эта цифра достаточно приблизительна и скорее всего завышена. Ряд данных указывает на то, что число молекул АТФ, синтезированных при окислении НАДН, может быть меньше трех (см. подразд. 4.2.7).
^ 4.1.6. ОСОБЕННОСТЬ РАСТИТЕЛЬНЫХ МИТОХОНДРИЙ - ПРИСУТСТВИЕ МАЛИК-ЭНЗИМА

Стабильная работы ЦТК во многом зависит от концентрации промежуточ-ных соединений, а значит, и от процессов, связанных с их удалением или, наоборот, вовлечением в цикл. Многие интермедиаты цикла активно из него уходят и используются в различных реакциях в цитозоле (см. подразд. 4.1.8). В связи с этим важное значение имеют так называемые анаплеротические реак-ции, которые катализируют взаимопревращение продуктов гликолиза и ЦТК, и при необходимости «подкармливают» цикл, пополняя пулы промежуточных соединений.

Так, ФЕП-карбоксилаза катализирует синтез оксалоацетата из ФЕП:

ФЕП + НСО
ОАА + Ф н

Как уже было показано (см. подразд. 4.1.4; рис. 4.3), оксалоацетат может быть также синтезирован из пирувата при участии пируваткарбоксилазы:

Пируват + С0 2 + АТФ
ОАА + АДФ + Ф н

Малатдегидрогеназа катализирует легко обратимое взаимопревращение оксалоацетата и малата:

Малат + НАД + ОАА + НАДН + Н

Особый интерес вызывает функционирование в растительной клетке малик-энзима, который катализирует окислительное декарбоксилирование малата:

Малат + НАД + Пируват + СО 2 + НАДН + Н
У растений малик-энзим присутствует не только в цитозоле, но и в митохон-дриях

(НАД + -зависимая изоформа) и хлоропластах (НАДФ + -зависимая изоформа). Наличие этого фермента в митохондриях делает возможным получать пиру-ват из малата и тем самым обходить последнюю реакцию гликолиза (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Альтернативные пути образования пирувата в растительной клетке.

Образованный в гликолизе фосфоенолпируват (ФЕП) может метаболизировать с образованием пирувата или малата. ФЕП-карбоксилаза катализирует взаимодействие ФЕП с НСО с образова-нием оксалоацетата, который превращается в малат. Малат, как и пируват, поступает в митохонд-рии и может поддерживать ЦТК, превращаясь в пируват при участии малик-энзима. Реакции 1 - 7 катализируют ферменты: 1 - пируваткиназа; 2 - ФЕП-карбоксилаза; 3 - малатдегидрогеназа в цитозоле; 4 - малатдегидрогеназа в митохондриях; 5 - малик-энзим; 6 - пируватдегид-рогеназный комплекс; 7 - цитратсинтаза
Действительно, образованный в гликолизе ФЕП является субстратом сразу двух реакций. При участии пируваткиназы он превращается в пируват (1), а при участии ФЕП-карбоксилазы - в оксалоацетат (2). Последний легко воестанавливается до малата (5). Поступив в митохондрии, малат либо сразу включается в ЦТК, либо окисляется малик-энзимом до пирувата (5). На самом деле не совсем понятно, насколько этот альтернативный способ образования пиру-вата из малата используется in vivo в нормальной физиологической ситуации. Сообщалось, что этот путь активируется у некоторых растений при фосфор-ном голодании. Возможно, он включается при регуляторном подавлении актив-ности пируваткиназы (см. подразд. 4.1.7). Тем не менее дублирование реакций, связанных с синтезом пирувата, отражает пластичность растительного метабо-лизма и, безусловно, расширяет их адаптивные возможности. Так, трансгенные растения табака (Nicotiana tabacum ), лишенные пируваткиназы, выживали и поддерживали нормальный метаболизм за счет этого обходного пути.
^ 4.1.7. РАСПАД ГЛЮКОЗЫ РЕГУЛИРУЕТСЯ КЛЮЧЕВЫМИ МЕТАБОЛИТАМИ И ПОДЧИНЕН КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЕ КОНТРОЛЯ

В гликолизе и ЦТК действуют несколько ключевых реакций, благодаря ко-торым весь процесс окисления глюкозы от начала до конца является контро-лируемым. Наиболее важная точка контроля - реакции гликолиза, связанные с I превращением фруктозо-6-фосфата во

Фруктозо-1,6-бисфосфат и обратно. Все ферменты, участвующие в прямой и обратной реакциях, подвержены аллостерической регуляции (рис. 4.6). В клетках животных АТФ-зависимая фосфофруктокиназа активируется АДФ и подавляется АТФ, тогда как в клетках растений этот фермент активируется ионом фосфата, а ингибируется ФЕП. Обратная реакция, катализируемая фосфатазой, в обоих случаях активируется АТФ и цитратом и подавляется АДФ. Такая система регуляции означает, что накопле-ние в клетке нереализованного АТФ и фосфоенолпирувата на фоне низкого уровня АДФ и Ф н приведет к подавлению активности фосфофруктокиназы и активации фосфатазы, т.е. к торможению скорости распада глюкозы.

Рис. 4.6. Регуляция гликолиза у растений на уровне реакции фосфорилирования фруктозо-6-фосфата:

Фр-6-Ф - фруктозо-6-фосфат; Фр-1,6-Ф - фруктозо-1,6-бисфосфат; Фр-2,6-Ф - фруктозо-2,6-бисфосфат; АТФ-ФФК - АТФ-зависимая фосфофруктокиназа; ФФ Н -ФФК - пирофосфат-зависимая фосфофруктокиназа; фосфатаза - фруктозо-1,6-бисфосфатаза; - активирование;

┴ - ингибирование

В регуляцию этих реакций включен еще один фактор - фруктозо-2,6-бисфосфат, регуляторная молекула у всех эукариот. Фруктозо-2,6-бисфосфат дей-ствует как активатор прямой и ингибитор обратной реакции, т. е. стимулирует гликолиз и подавляет глюконеогенез. У животных фруктозо-2,б-бисфосфат ак-тивирует АТФ-зависимую фосфофруктокиназу и подавляет активность фосфа-тазы. У растений в отличие от животных фруктозо-2,6-бисфосфат не действует на АТФ-зависимый фермент, но четко активирует ФФ н -зависимую фосфо-фруктокиназу и ингибирует фосфатазу. Пластидная изоформа АТФ-зависимой фосфофруктокиназы, как и цитозольная, активируется фосфатом и подавля-ется ФЕП, а также АТФ. О способах регуляции пластидной фосфатазы извест-но мало.

Фруктозо-2,6-бисфосфат образуется и деградирует при участии двух фер-ментов: фруктозо-6-фосфат 2-киназы и фруктозо-2,6-бисфосфатазы:

Активность 2-киназы активируется ионом фосфата и фруктозо-6-фосфатом и ингибируется трехуглеродным продуктом гликолиза - ФГА и ФГК. Таким образом, синтез самой регуляторной молекулы сложным образом зависит от соотношения С6/СЗ-Сахаров в растительной клетке. На это соотношение будут влиять интенсивность синтеза сахарозы и транспорт в хлоропласт Ф н в обмен на триозофосфат (см. гл. 3).

Второй регуляторный фермент гликолиза, пируваткиназа, аллостерически ин-гибируется метаболитами ЦТК, цитратом и малатом и активируется АДФ и Ф н.

Следующая точка контроля на пути окисления глюкозы - ПДК, на приме-ре которого можно видеть, как иногда сложно регулируется активность ключевых ферментов. Одним из способов «быстрого реагирования» в клетке явля-ется изменение активности ферментов за счет их обратимого фосфорилирования-дефосфорилирования при участии специальных протеинкиназ и фосфатаз. Именно такому способу регуляции подвержен и ПДК: АТФ-зависимое фосфорилирование комплекса по остатку серина подавляет его активность, а при отщеплении фосфатной группы активность восстанавливается (рис. 4.7). Состояние комплекса зависит от активности киназы, которая в свою очередь подвержена аллостерической регуляции. Киназа активируется АТФ и ионом аммония и ингибируется субстратом комплекса - пируватом. Регуляторные свойства фосфатазы остаются пока неясными. Кроме того, ПДК ингибируется по типу обратной связи НАДН и ацетил-СоА.

Рис. 4.7. Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса за счет обратимого фосфорилирования/дефосфорилирования.

Киназа катализирует АТФ-зависимое фосфорилирование одного из белков комплекса, переводя его в неактивное состояние. Киназа активируется АТФ и ионами аммония, ингибируется пиру-ватом. Дефосфорилирование при участии фосфатазы восстанавливает активность комплекса. Кроме того, активность ПДК подавляется продуктами реакции - НАДН и ацетил-СоА; ┴ - ингибирование; - активирование
Регуляторные ферменты ЦТК - цитратсинтаза и НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа. Активность цитратсинтазы аллостерически подавляется АТФ и НАДН. Изоцитратдегидрогеназа активируется АДФ и цитратом и ингибируется АТФ и НАДН. Кроме того, работа дегидрогеназ цикла зависит от соотно-шения НАД/НАДН в матриксе. Следовательно, ключевую роль в управлении ЦТК играет соотношение НАДН/НАД + и АТФ/АДФ в матриксе митохондрий. При высоком содержании АТФ и НАДН работа цикла будет тормозиться.

Итак, на всем пути окисления глюкозы действуют ферменты, активность которых сложным образом зависит от многих факторов. В то же время в системе регуляции прослеживается общий принцип: ключевые реакции регулируются «снизу вверх», т. е. метаболитами, которые образуются в последующих реакци-ях, и прежде всего на заключительной стадии, когда в процессе окислитель-ного фосфорилирования синтезируется основная масса АТФ из АДФ и Ф н. Во всех случаях ключевые ферменты реагируют либо на абсолютное содержание, либо на соотношение АДФ, АТФ и Ф н. Такая система регуляции очень логична и направлена на поддержание в клетке режима экономии, при котором скорость распада глюкозы соответствовала бы потребностям клетки в АТФ и дру-гих продуктах дыхания. При высоком уровне АДФ и Ф н, который отражает быстрый расход в клетке синтезируемой АТФ, ключевые реакции гликолиза и ЦТК активируются, а при накоплении АТФ тормозятся. Благодаря такой си-стеме регуляции скорость окисления глюкозы и дыхания в целом координиру-ется в соответствии с энергетическим статусом клетки.
^ 4.1.8. ОБМЕН МЕТАБОЛИТАМИ ЦТК МЕЖДУ МИТОХОНДРИЯМИ И ЦИТОЗОЛЕМ

Цикл трикарбоновых кислот - это не только необходимый этап энергообме-на, но и источник соединений, необходимых для многих биосинтезов, проте-кающих в цитозоле и других компартментах. Благодаря интенсивному обмену с цитозолем в митохондриях пересекается обмен трех групп важнейших соеди-нений - углеводов, белков и липидов (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Цикл трикарбоновых кислот как центр метаболизма.

Интермедиаты ЦТК активно используются как исходные субстраты при образовании аминокис-лот, липидов и во многих других биосинтезах. Предлагаемая схема не является полной, она лишь демонстрирует активный отток метаболитов с основного пути дыхания
Например, ацетил-СоА - исходное соединение для синтеза жирных кислот и полиизопреноидных со-единений, необходимых при биосинтезе липидов, каротиноидов, раститель-ных гормонов. Важнейшей функцией цикла является экспорт так называемых «углеродных скелетов» в виде кетокислот, необходимых для синтеза амино-кислот в реакциях переаминирования.

Интеграция митохондрий в общий метаболизм возможна благодаря интен-сивному обмену метаболитами между матриксом и цитозолем. Наружная мемб-рана благодаря наличию пор не препятствует такому обмену. Транспорт со-единений через внутреннюю мембрану осуществляется с помощью интегри-рованных в нее белков-транспортеров. Транспортеры переносят кето- и амино-кислоты, адениннуклеотиды, НАД + , коэнзим А и многие другие соединения (см. также подразд. 4.2.11). Так, во внутренней мембране есть целое семейство похожих по своей структуре белков, которые осуществляют транспорт анио-нов ди- и трикарбоновых кислот, участвующих в ЦТК

(рис. 4.9). Особенно ин-тенсивно из митохондрий идет вынос α-кетоглутарата, который необходим для ассимиляции аммония и синтеза аминокислот в хлоропластах. В мембране обнаружены два обменных переносчика, которые выносят в цитозоль α-кетоглутарат и/или цитрат в обмен на малат. В цитозоле цитрат превращается в изоцитрат (при участии аконитазы), а затем окисляется с образованием α-кетоглутарата в реакции, катализируемой НАДФ + -зависимой изоцитратдегидроге-назой. В обмен на а-кетоглутарат или цитрат в митохондрии поступает малат, тем самым возмещая углеродные потери ЦТК.

Между митохондриями и цитозолем возможен также обмен восстанови-тельными эквивалентами. Образующийся в ЦТК НАДН не только окисляется в дыхательной цепи, но и выносится в цитозоль, где используется как восста-новитель в разных реакциях, например при восстановлении нитрата (см. гл. 6). И, наоборот, в ряде случаев НАДН из цитозоля может доставляться в матрикс. В то же время белок-переносчик для НАДН неизвестен. Обмен НАДН между матриксом и цитозолем осуществляется с помощью так называемых «челноч-ных систем», или «шаттлов». Наиболее важная из них - малат/оксалоацетат-шаттл (рис. 4.9), оперирующий при участии

НАД-зависимой малатдегидрогеназы, изоформы которой есть и в матриксе, и в цитозоле. В митохондриях, где содержание НАДН высокое, оксалоацетат за счет НАДН восстанавливается до малата. В мембране присутствует белок-переносчик, обменивающий малат на оксалоацетат. Оказавшись в цитозоле, малат может быть вновь окислен в обрат-ной реакции с образованием НАДН. Этот простой челнок в принципе может работать в двух направлениях в зависимости от соотношения НАДН/НАД + по обе стороны митохондриальной мембраны. В то же время есть данные, что in vivo он работает в основном «на экспорт»: около 25 -50 % НАДН, образован-ного в матриксе, окисляется в цитозоле благодаря малат/оксалоацетат-шаттлу. Цикл трикарбоновых кислот не только поставляет метаболиты, необходи-мые для синтеза белков и липидов, но также включен в деградацию этих со-единений. Хотя растения «дышат» в основном углеводами, в некоторых случаях дыхание поддерживают белки или жиры. Например, при развитии пророст-ков образованные при распаде запасных белков аминокислоты через реакции переаминирования превращаются в кетокислоты - интермедиаты ЦТК и вклю-чаются в цикл. Использование жиров при прорастании семян масличных рас-тений представляет собой особый случай, связанный с функционированием глиоксилатного цикла.

Рис. 4.9. Обмен метаболитами между матриксом и цитозолем.

Внутренняя мембрана митохондрий содержит белки-переносчики. Пируват и оксалоацетат по-ступают в митохондрии в обмен на ион ОН или фосфат и метаболизируют в ЦТК с образова-нием цитрата. Вынос цитрата или α-кетоглутарата в цитозоль в обмен на малат обеспечивает углеродными скелетами синтез аминокислот в пластидах, в том числе в хлоропластах. В цитозоле цитрат может превращаться в α-кетоглутарат при участии цитозольной НАДФ-зависимой изо-цитратдегидрогеназы. Малат/оксалоацетат шаттл обеспечивает обмен НАДН между матриксом и цитозолем. Шаттл работает благодаря переносчику (известному как ОАА-транспортер), который осуществляет обменный транспорт через мембрану малата и оксалоацетата в ту и другую сторону. Важным транспортером является АТФ/АДФ-транслокатор и переносчик фосфата (см. подразд. 4.2.11)

^ 4.1.9. КОНВЕРСИЯ ЖИРОВ В УГЛЕВОДЫ. ГЛИОКСИЛАТНЫЙ ЦИКЛ

В семенах некоторых растений жиры являются доминирующими запасными соединениями. К их числу относятся клещевина (Ricinus communis ), арахис (Arachis hypogaea ), рапс (Brassica napus ), подсолнечник { Helianthus annuus ), тыква (Cucurbita реро), соя (Glycine max ), арабидопсис (Arabidopsis thaliana ), пальма (Elaeis guineensis ) и др.

В зависимости от вида растения жиры могут накапливаться в клетках семя-долей (подсолнечник, рапс, арахис, соя) или в эндосперме (клещевина), т.е. в тканях, предназначенных «кормить» развивающийся проросток. При прора-стании таких семян действует особый путь метаболизма, через который жиры превращаются в сахарозу, и она транспортируется в органы развивающегося проростка, где используется как субстрат дыхания и как источник углеводов для биосинтезов (например, клеточной стенки).

На пути превращения жиров в углеводы в тканях эндосперма или семядо-лей действует глиоксилатный цикл, ферменты которого локализованы в осо-бых органеллах - глиоксисомах.

Глиоксисомы принадлежат к пестрому семейству микротелец, которое у растений представлено глиоксисомами и пероксисомами. По мере развития проростка глиоксисомы либо исчезают вместе с эндоспермом, либо превра-щаются в типичные пероксисомы при зеленении семядолей.

Уникальная конверсия жиров в углеводы включает три этапа: окисление жирных кислот, глиоксилатный цикл и глюконеогенез. Все три этапа связаны между собой через взаимодействие четырех компартментов - жировых телец, глиоксисом, митохондрий и цитозоля (рис. 4.10, 4.11). Обычно растения запа-сают триацилглицеролы, которые в клетке находятся в виде жировых телец, или олеосом. Олеосомы отделены от водной фазы мембраной, состоящей из одного слоя фосфолипидов. Такая необычная структура возникает при образо-вании олеосом: жиры синтезируются в полостях ЭПР, откладываются между двумя монослоями мембраны, а затем отщепляются в виде капель. Специаль-ные белки, олеозины, покрывают их поверхность и предотвращают слипание. При прорастании семян жиры подвергаются гидролизу при участии липазы с образованием жирных кислот и глицерола. Глицерол может превращаться в триозофосфат и участвовать в гликолизе, а свободные жирные кислоты посту-пают в глиоксисомы, которые как правило находятся с олеосомами в тесном контакте. Здесь начинается процесс

β-окисления, в результате которого от жирной кислоты последовательно отщепляются 2С-фрагменты с образованием ацетил-СоА. Процесс сопровождается восстановлением НАД + и образованием пе-рекиси. Образованный НАДН может выноситься из глиоксисом через малат-оксалоацетат-челнок, а перекись разлагается каталазой (см. подразд. 4.3.2).

Ацетил-СоА является субстратом глиоксилатного цикла, который представ-ляет собой модифицированный ЦТК (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Глиоксилатный цикл.

Реакции 1- 5 катализирут ферменты: 1 - цитратсинтаза; 2 - аконитаза; 3 - изоцитратлиаза; 4 - малатсинтаза; 5 - НАД-зависимая малатдегидрогеназа. Все ферменты, участвующие в цик-ле, локализованы в глиоксисоме, за исключением, возможно, аконитазы. Есть данные, что аконитаза в прорастающих семенях клещевины и тыквы является цитозольным ферментом

Рис. 4.11. Взаимодействие компартментов в процессе превращения жиров в углеводы при прорастании семян масличных растений.

Запасенные в виде жировых капель жиры подвергаются гидролизу липазой. Свободные жирные кислоты конденсируются с коэнзимом А и образуют ацил-СоА. Последний поступает в глиокси-сомы, где происходит процесс

β-окисления, в котором от жирной кислоты последовательно отщепляются ацетильные остатки в виде ацетил-СоА. Ацетил-СоА метаболизирует через глиоксилатный цикл, продуктом которого является сукцинат. Сукцинат поступает в митохондрии, где под действием ферментов ЦТК превращается в малат. Образованный в цикле малат выходит из митохондрий и метаболизирует в цитозоле с образованием фосфоенолпирувата. Фосфоенолпируват через глюконеогенез превращается в 6С-углеводы

Три фермента - цитратсинтаза, аконитаза и малатдегидрогеназа, общие для глиоксилатного цикла и ЦТК, представлены в глиоксисомах другими изоформами. Две первые реакции гли-оксилатного цикла идентичны двум первым реакциям ЦТК. Ацетил-СоА кон-денсируется с оксалоацетатом с образованием цитрата, который затем превра-щается в изоцитрат при участии аконитазы. Последующие две реакции специ-фичны для глиоксилатного цикла и катализируются двумя ферментами, уни-кальными для растений. В первой из них изоцитратлиаза катализирует расщеп-ление изоцитрата с образованием сукцината и глиоксилата. Сукцинат уходит из цикла, а глиоксилат в реакции, катализируемой малатсинтазой, вновь конден-сируется с еще одной молекулой ацетил-СоА с образованием малата. Замыкает цикл реакция окисления малата до оксалоацетата, идентичная аналогичной за-мыкающей реакции ЦТК. Таким образом, в результате пяти реакций из двух мо-лекул ацетил-СоА (ацетильных остатков) синтезируется сукцинат, который уходит из глиоксисом и используется в синтезе углеводов. Согласно простей-шей схеме сукцинат поступает в митохондрии, где включается в реакции ЦТК и восстанавливается до малата. Малат выносится из митохондрий в цитозоль и окисляется до оксалоацетата при участии малатдегидрогеназы. ФЕП-карбоксикиназа катализирует реакцию, в которой оксалоацетат превращается в ФЕП. Фосфоенолпируват, ключевой метаболит гликолиза, может быть превращен в глюкозу и сахарозу в процессе глюконеогенеза (см. подразд. 4.1.4).

Глиоксилатный цикл функционирует не только в прорастающих семенах масличных растений, но и в стареющих листьях, а также при созревании пыльцы. Предполагается, что гены, кодирующие ферменты глиоксилатного цикла, имеются у всех растений, но экспрессируются не во всех тканях и не на всех стадиях онтогенеза. При старении листьев пероксисомы, вероятно, трансфор-мируются в глиоксисомы, и в них начинает функционировать глиоксилатный цикл, с помощью которого метаболизирует ацетил-СоА, образованный при деградации липидов мембран. Образующиеся сахара в дальнейшем уходят из стареющих листьев в другие органы.
^ 4.1.10. ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ЦИКЛ

В клетках растений и животных существует еще один способ окисления-глю-козы, не связанный с энергообменом, но играющий важную роль в конструк-тивном обмене, - окислительный пентозофосфатный цикл (оПФЦ). В ПФЦ можно выделить два этапа (рис. 4.12). На первом из них первые три реакции цикла необратимы и связаны с последовательным окислением глюкозо-6-фос-фата при участии глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы и 6-фосфоглюконатдегидро-геназы. В результате этих двух реакций теряется СО 2 , восстанавливаются две молекулы НАДФ + и образуется рибулезо-5-фосфат. Второй этап включает ре-акции, связанные с рекомбинацией 5С-сахаров, в результате которых образу-ется исходный субстрат - глюкозо-6-фосфат. Для того чтобы цикл был замк-нут, необходимо участие 6 молекул глюкозо-6-фосфата и образование соот-ветственно 6 молекул рибулезо-5-фосфата. Перегруппировка молекул сопро-вождается превращением 6 молекул × 5С-сахаров в 5 молекул × 6С-сахаров.

У растений ферменты оПФЦ обнаружены как в цитозоле, так и в пластидах. Пластидные и цитозольные изоформы кодируются разными ядерными генами.

В гетеротрофных тканях корня оПФЦ в пластидах протекает достаточно актив-но, но функционирование оПФЦ в хлоропластах вызывает много вопросов. Дело в том, что на свету в хлоропластах действует цикл Кальвина, многие ферменты которого (фосфатазы, транскетолазы, альдолаза, триозофосфатизомераза) являются также ферментами оПФЦ. Поэтому полагают, что в хло-ропластах оПФЦ действует только в темноте. «Выключение» цикла на свету связано с механизмом регуляции пластидной изоформы глюкозо-6-фосфатде-гидрогеназы. Как уже говорилось, активность ферментов может изменяться в результате их обратимого фосфорилирования. Еще один распространенный способ регуляции - это окисление или восстановление фермента по особой, регуляторной дисульфидной связи. На свету глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа переходит в неактивное состояние в результате восстановления по дисульфид-ной связи (-S-S → -SHHS-), тогда как в темноте происходит спонтан-ное окисление фермента. Полагают, что в восстановлении участвует ферредоксин или тиоредоксин, восстановленные в ходе фотосинтеза. Основная функ-ция оПФЦ - это генерация НАДФН, который требуется во многих биосинте-зах, а также синтез углеводов с разным числом углеродных атомов. Образу-ющиеся в цикле 5С- и 4С-углеводы активно уходят из цикла, так как необхо-димы для синтеза нуклеотидов, ароматических соединений, витаминов, флавоноидов, полисахаридов клеточной стенки и т.д. 3С- и 6С-сахара также могут покидать цикл и включаться в процесс гликолиза, который протекает в тех же компартментах. С учетом этого функционирование полного и замкнутого оПФЦ in vivo как в цитозоле, так и в хлоропласте представляется маловероятным.

Рис. 4.12. Пентозофосфатный цикл.

Первые три реакции цикла необратимы и сопровождаются образованием НАДФН и рибулозо-5-фосфата. Последующие реакции обратимы и представляют собой рекомбинацию 6 молекул 5С-сахаров с образованием 5 молекул глюкозо-6-фосфата. Реакции 1-12 катализируют следу-ющие ферменты: 1 - глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа; 2 - глюконолактоназа; 3 - фосфоглюконатдегидрогеназа; 4 - пентозофосфатэпимераза; 5 - пентофосфатизомераза; 6 - транскетолаза; 7 - трансальдолаза; 8 - транскетолаза; 9 - триозофосфатизомераза; 10 - альдолаза; 11 -

Фосфатаза; 12 - глюкозофосфатизомераза